煤矸石作粗骨料配制混凝土在生態工程中的應用

劉麗紅，劉紅維

(1.山西工程技術學院，山西 陽泉 045000；2.晉能集團陽光發電有限責任公司，山西 陽泉 045000)

0 前 言

煤矸石是采煤及洗煤過程中排放的固廢物。隨著原煤產量大幅增加，其附屬物煤矸石大量出現。在綠色、節能、環保理念的支撐下，煤矸石作為一種資源在生態過程中得到了應用。

我國生態專家馬世駿指出，生態工程是遵循人與自然和諧相處，對物質進行循環再利用，結構優化的設計方案，進而改變物質生產的工藝流程。它具有一般工程的特點：整體性、系統性、一次性等，但它又不同于一般的項目工程，有其自身的特殊性：必須因地制宜，有很強的地域性，不能盲目照搬，有較強的靈活性。即一個地區系統工程的引入，必須進行綜合因素分析，多方面的可行性論證，分析它的綜合效益，而不能只考慮經濟效益。筆者收集了國內煤矸石在生態工程中的利用情況，并進行了現狀分析，為煤矸石代替石子做粗骨料來配置混凝土在建筑工程混凝土中的應用提供了必要的參考。

1 混凝土在生態工程中的應用

煤矸石是煤炭的伴生物，即隨著煤炭的大量產出，煤矸石也會隨之產生。世界各地的現狀是，開始時經濟增長方式是粗放式的，人們只注重能源的開發利用，不注重節能和能源的再利用。伴隨著循環經濟的提出以及生態工程的提出，在利用方面，國外領先于國內。

煤矸石有較好的工程性能，廣泛被國外應用于各個工程領域。對煤矸石的處理，最好的辦法就是恢復耕地，但那需要更多的人力、物力、更多的政府支持，在美國等國家煤矸石采用生物復田技術；而英國等國對于條件成熟礦區的煤矸石采取復田造地的方式進行。對煤矸石的資源化再利用，主要用在建材、化工原料、工業填料等方面，應用的范圍較為寬泛；而在國內，剛開始對于煤矸石只是作為一種工業廢棄料，未及時進行處理，因而被大量堆積。從20世紀90年代開始，響應國家的號召，對矸石山綜合整治。隨著生態文明建設要求以及節能、環保、綠色經濟等概念的提出，人們開始了對煤矸石進行資源化研究，建造了煤矸石發電廠、水泥廠和磚廠，對煤矸石的利用剛開始作為建筑材料、化工原料，后隨著城市建設工程改造項目的深入進行，又被應用在市政工程等方面。對于我國煤矸石開發利用方面還有很大的空間，需加強應用研究，提高綜合效益。

煤矸石作為一種固體廢棄物，造成了空氣和環境污染，進而引發生態問題等，只有積極地進行試驗研究，充分利用煤矸石的特性，才能夠變廢為寶。在做好煤矸石資源化利用的同時，積極探索煤矸石在生態工程中的應用。煤矸石作粗骨料制作生態混凝土，不僅解決了自身的污染問題，而且為生態工程做出了貢獻。

2 煤矸石陶粒制作輕型混凝土

傳統意義上的混凝土原料，由石子、砂、水泥、水以一定的比例混合而成，為保證一些特殊的性能和功用，添加摻合料和外加劑。為緩解環境危機、生態壓力，盡量節約能源，充分利用煤矸石的性質，對其進行資源化處理。將煤矸石陶粒代替石子，這樣制成的混凝土質量輕、強度高，而且還具有良好的抗震性能。20世紀90年代，我國開始煤矸石陶粒輕型混凝土的研制工作[1]，隨著生產的不斷擴大，這項技術得到了迅猛的發展。

陶粒混凝土是將符合一定標準的煤矸石，經過特定的工藝流程生產的一種輕骨料混凝土。由于其強度高、重量輕、又節能，在環保建筑中的應用日趨廣泛[2-4]。用較高強度陶粒制作混凝土，28 d混凝土的抗壓強度可以達到35 MPa，干密度可達到400 kg/m3[5]。利用廢棄的煤矸石燒制成陶粒和陶砂代替石子和砂，加入外加劑等，通過一定的工藝流程，可生產出一定量的輕骨料混凝土。煤矸石陶粒混凝土的抗壓強度，隨粉煤灰摻量的不同而呈現出曲線變化，其摻量約為20%左右時，其混凝土的強度值最大。經過試驗發現，煤矸石陶粒混凝土7 d的混凝土強度可以達到28 d的混凝土強度的80%左右。前期強度增長快，究其原因是由于煤矸石有較強的吸水性，由其制成的陶粒具有多孔性，與普通混凝土的抗壓特性在前期有較大不同[6]。干表觀密度和抗壓強度有內在的聯系，它們之間呈現出較為良好的相關關系[7]。用煤矸石陶粒和陶砂制成的混凝土，保溫性能有了一定的提升，導熱系數有所降低，在新型建筑方面得到了較大的應用。

隨著工程實踐的不斷深入，人們研究發現，生產此類混凝土時，由于加入了一定量的膠凝材料和外加劑，導致混凝土出現了不同程度的裂縫，耐久性問題也凸顯出來，影響其大量生產[8]。研究表明[9-10]，加入高吸水率的煤矸石可一定程度減緩混凝土的收縮，提高其體積穩定性和混凝土的耐久性。預濕時間與煤矸石陶粒輕型混凝土的收縮有關，添加外加劑會改善其穩定狀態。在規定的時間內，按照標準的時間和方法進行養護，也會抑制內部濕度的變化，體積變化也會起到一定的作用等。充分利用煤矸石的吸水性，在煤矸石陶粒輕型混凝土的性能研究以及應用推廣方面將會有重要的指導作用。

3 煤矸石為粗骨料作生態混凝土

自燃的煤矸石粒徑在5 mm以下時，其特點是比較堅硬、結構勻稱，經過特定的工序，用它作為一種粗骨料來制生態混凝土。相關的實驗數據表明，當水灰比為0.36，粗骨料粒徑小于10 mm且比較均勻,骨膠比為4.8時，經過28天后用此制作的混凝土強度可達到35 MPa，透水系數為0.5 cm/s。與一般的普通混凝土相比，用此配合比配置的生態混凝土強度較高，透水性能較好，抗磨損能力較強。

煤矸石燒結磚時，會剩余粒徑小于5 mm的煤矸石。回收利用這部分煤矸石，既解決燒結磚工藝產生的部分礦渣，又把它作為資源重新利用，提高了煤矸石的綜合利用率。另外，煤矸石在用破碎機破碎時，不可避免地會產生很多粉末，這些粉末如不及時處理掉，在制作混凝土時，會包裹在粗骨料的表面，影響了與水泥充分反映，進而影響到此混凝土的透水性能。所以，在反復實踐的基礎上，又增加了一道工序，即在煤矸石破碎后，先經過清洗，后晾干，再制作混凝土，這樣使煤矸石與水泥充分接觸，既保證了生態混凝土的強度，又利用煤矸石的吸水性好，使該混凝土具有足夠的透水性。此工藝流程中，清洗破碎煤矸石后的水和留存的煤矸石粉末還可以作為燒結磚用，進一步提高煤矸石的綜合利用度[11]。

為保護生態環境，國家限制開山碎石和大量淘砂。煤矸石生態混凝土采用煤矸石石子代替石子，不僅減少了煤矸石堆積造成的污染，而且節省了建筑材料石子。它有良好的排水性，可以緩解城市的排水壓力，尤其是近幾年來，氣候異常，降雨量有時很不均勻，對于緩解地表下沉，減輕由于環境異常、天氣突變而給城市乃至人們造成的損失。由于煤矸石的多孔性，使用它還有良好的吸取噪聲的效果。

煤矸石生態混凝土被廣泛應用于重煤炭污染區徐州的小區人行道、停車場以及人們活動的廣場建設中，現以徐州某廣場建設為例加以說明。此廣場混凝土總量為13 000 m2，路面由C30生態混凝土構成(此混凝土25 mm厚)，粗骨料采用煤矸石(粒徑為5～10 mm)；此人行道采用煤矸石燒結磚(利用其透水性較好，吸濕性較強且強度滿足要求)。煤矸石磚孔隙率大，里面細密組織里的水自由流通，為植物的生長提供了良好的環境[12]，它還可以吸取噪音，廣泛應用于人行道等，既有益于人們身體的恢復，又為人們的活動提供了不錯的場所。煤矸石生態混凝土，不僅提高了經濟效益，而且具有良好的社會效益。

受設備和技術等方面的限制，煤矸石生態混凝土的規模還較小，其主要應用在一些城市的市政工程中。國外應用范圍較廣，如有的國家正在研究，在高速公路的路肩部位可否能夠使用煤矸石生態混凝土。而在國內的城市生態化建設中，如西安大明宮工程、上海世博園等均用到透水混凝土，它可以強化排水，吸收噪音，讓城市居民“自由呼吸”，應用前景會越來越廣闊。隨著國家綠色建筑的提出，煤矸石的綜合利用的程度會不斷地加強。

4 煤矸石混凝土作小型砌塊

如何對能源利用更為合理，如何對能源進行多次再利用，是一個擺在人們面前亟待解決的問題。為保護生態環境，傳統的建筑原料如石子、砂等，國家對其開采進行了限制。傳統燒結磚的原料大多是黏土，這樣不僅占用不少農田，而且有時毀壞耕地，用新型的建筑材料來代替黏土就顯得尤為重要。

以山西省陽泉市某小區8號樓為例，從砂漿、混凝土到墻體均采用煤矸石為材料。在用煤矸石混凝土作砌塊時，分為主副砌筑，因砌塊本身的一些性能要求，它不能像普通的機紅磚那樣進行施工，施工工藝和工序和普通磚差異較大。而如能充分做好施工前的各項準備工作，按照特有的要求和工藝組織施工，就能保證砌塊質量。

利用煤矸石吸濕性較強的特點，為保證煤矸石吸水充分，對于攪拌時間要適當加長；在用其制作砂漿和磚之前，先進行預濕，避免在施工過程中吸收過多的水分而引起體積的急劇變化；同時施工中砌塊要避免受潮，且堆放高度不得超過1.8 m。

在墻體施工前，要根據具體的尺寸和砌塊的大小進行試排放。要保證煤矸石混凝土砌塊的搭接長度，如搭接長度不足要加設鋼筋；砌筑用的砂漿要求飽滿、嚴實，保證其強度；砌塊的分縫要按照規定進行，且要保證及時勾縫；為保證質量，特殊部位如設過梁等，用預制的加長試塊需要加筋。

由于煤矸石多孔，熱工性能好，有利于保溫隔聲等，采用煤矸石混凝土砌塊，占用面積小，加大了房間的使用面積，同時也節省了部分砂漿，墻體自重減輕38%，建筑物自重減輕25%，同時也減輕了地基的承載力，節約了基礎的處理費用，與普通磚相比，建筑能耗節省30%；每立方米降低成本50元左右，綜合造價降低8%左右。抗凍性和結構耐久性也較好。

煤矸石混凝土砌塊由于煤矸石收縮體積變化大，易出現一些裂縫；在需要對砌塊進行保溫時，必須內外同時進行，才能達到保溫效果。這些缺點在以后的實踐應用中逐步處理改善。本文主要介紹了煤矸石作為一種煤炭伴生物，隨著煤炭的產生而大量堆積，煤矸石山堆積帶來的危害以及國內外研究的現狀。目前，煤矸石作為一種可利用的資源，利用率還較低，以致某些地區矸石山的大量堆積引發一系列的問題。我國對工業廢料的利用率不是很高，對煤矸石作為一種資源進行再利用也較少，尤其是煤矸石在建筑工程的基本原料和混凝土方面的應用較少，而把煤矸石作粗骨料的研究更少，所以本文的命題具有新穎性，試驗研究迫在眉睫。

用煤矸石配置的砂漿和易性較好、不空鼓、粘結性較好。有關數據表明，經過長期堆放且自燃的煤矸石，其質量符合國家對輕骨料混凝土的技術規范要求，且煤矸石的早期強度較高，耐久性也基本滿足實際的工程需要。把煤矸石變廢為寶，不僅減少污染，而且帶來經濟效益，還為生態工程建設做出應有的貢獻。

5 結 語

筆者從生態工程的概念入手，提出它所具備的特點，列舉了煤矸石陶粒制輕型混凝土，煤矸石為粗骨料作生態混凝土，煤矸石混凝土作小型砌塊等，煤矸石作為粗骨料制作混凝土在生態工程方面的應用，為煤矸石石子代替石子做粗骨

料來配置混凝土在建筑工程混凝土中的應用提供了必要的參考。

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